一种用 NRP-Z28/98产生射频和微波功率的解决方案

　　摘要：本文介绍了采用R&S电平控制探头NRP-Z28/98连接信号源，精确产生经过校准的射频和微波信号功率的方法。该功率探头内部集成了一个功分器，通过功率探头精确地测量，可以对信号源的输出功率进行精准调整。文章还分析了伽马修正及S参数修正对不确定度的影响。

　　关键词：NRP-Z28/98;功率探头;电平控制;不确定度

　　电平控制探头可用于频谱仪、接收机等仪器的计量，产生所需要的信号功率，也可用于精确的系统增益评估等应用。传统的校准解决方案采用外置功分器并外接功率计的方式来实现精确功率的产生，本文将介绍的解决方案则是采用内置功分器的功率探头 NRP-Z28/98。

　　传统输出功率控制解决方案的缺陷

　　信号源的真实输出功率总会随着时间、频率而发生微小的变化，要使得被测件的功率尽可能精确，系统就需要实时地对输出功率进行监控和调节，传统的功率探头无法单独完成这样的工作，必须外接功分器来实现，如图1所示。其中UUT为被测单元，如接收机、频谱仪或者需要精准功率的射频微波模块等。

图1 外接功分器的解决方案

　　这种方法可以在调节信号源输出功率的同时，监控到达UUT的输入功率，但由于外接功分器的驻波特性不理想，对信号源输出信号的不确定度也有影响，因此无法对UUT端口的实际功率精确控制。

　　为了精确控制到达被测单元的功率值，必须在UUT处放置另一台功率计或功率探头以保证精度，测试配置如图2所示。信号源输出经过功分器，在一个端口用探头A监测，另一个端口用UUT接收，但需要另一个探头B来保证精度。这样，信号电平精度得到了保证，但配置和测试过程的复杂度和成本提高。同时，测量必须具备功率计主机以及不同频率和功率测试范围的功率探头，在测试前还需要用一个0dBm的校准信号进行功率计校准。

图2 实时监控UUT输入功率值的测试配置

　　NRP系列功率探头的优势

　　相比于传统测试方法，R&S NRP系列功率探头采用了全新的智能功率测量技术，探头本身就是一台功率计，探头后面的连接线仅用来传输测试数据，实现了功率测量和数据处理的一体化，测量前只需在探头空载时进行清零操作，便可开始精确的功率测量。如果采用NRP-Z81峰值探头，还可以实现峰值功率测量，可测量的最小脉冲分辨率达到12.5ns，最大带宽为30MHz。

　　NRP系列功率探头的典型应用方式有三种：其一是可以直接连接功率计主机，得到功率测试结果;其二是通过USB接口与PC相连，使用软件NRPview或编程实现功率测量;其三是连接R&S 公司的信号源、频谱仪、矢网、接收机等仪器，实现功率测量。

　　修正测量的不确定度

　　由于反射系数的影响，会引入测量的不确定度。反射系数G对测试结果有影响，有反射存在时，功率计测量的功率值与发射功率并不相等，此时存在反射功率PG。

　　G描述复数阻抗输入端反射波的幅度和相位。负载端的反射系数用GL描述，信号源端的反射系数用GG描述，则入射功率Pi与发射功率PGZ0之间的关系如下。

　　用g描述反射系数的幅度，入射功率与信号源发射功率之间满足如下关系式，该关系式代表了输入功率的不确定度。

　　其中

　　如果要对反射特性进行修正，则必须知道源和负载的反射系数，探头端的反射系数由探头自身给出，信号源的反射系数可以用矢量网络分析仪测量S11参数得到，从而实现伽马修正，如图3所示。

图3 NRP功率计伽马修改的实现

　　如果在NRP-Z28/98探头与UUT之间还存在转接头、衰减器或其它连接电缆等二端口网络，还可以用去嵌入方式实现S参数修正，该二端口网络的4个S参数可以用矢量网络分析仪测量，得到一个S2P文件来描述，再通过USB接口把S2P文件下载到探头中，完成测试结果的S参数修正。

　　与普通的NRP终端式功率探头类似，NRP-Z28/Z98系列电平控制探头的S参数修正的实现如图4所示。

图4 NRP-Z28/98 探头S参数修正的实现

　　NRP-Z28/98电平控制探头的解决方案应用

　　NRP-Z28(频率范围10MHz~18GHz)、NRP-Z98(频率范围9kHz~6GHz)系列电平控制探头包括了一个低反射系数的功分器，一个多通道二极管功率探头。探头结构及工作原理如图5所示。

　　射频输入信号经过功分器后，一路信号输出到射频输出，另一路信号到达内置的功率探头内，实现精确的功率测量，然后测试数据通过USB接口输出。

　　这里，功分器和功率探头很好地结合在一起，减少了外部功分器的连接不便与不确定性因素。 同时，由于NRP系列探头的测量与数据处理一体化，可以直接将探头USB输出连接到SMU200A/SMJ/SMATE/SMA/SMB/SMF等数字、射频、微波信号源上。在信号源界面上可直接完成电平的精确测量和调整，确保到达被测单元功率值的精确性。

　　在图6中可以看到，如果没有NRP-Z28/98的修正，信号源输出功率随着频率变化可能有零点几dBm的偏差(蓝色曲线)，该偏差是由于信号源频率响应或端口驻波的影响而产生，无法满足精确测量的要求，而采用电平控制探头可以精确地对信号源频响和端口驻波的影响进行补偿。图中上面的粉红色曲线是经过NRP-Z28/98修正后的电平输出，非常精确稳定。

图6 带电修正平和不带电修平修正的差别

　　NRP-Z28/98与信号源有两种连接方式，一种是带功率计主机的方式，另一种是直接连接信号源的方式，相比之下，第二种连接更为简单方便，可以直接在信号源屏幕上进行精确的电平调节。■

　　参考文献

　　1. R&S NRP-Z28/Z98 Level Control Sensor Technical Information, ROHDE & SCHWARZ

　　2. R&S NRP-Z28/Z98 Level Control Sensor User Manual, ROHDE & SCHWARZ

　　3. Program for Measurement Uncertainty Analysis with Rohde & Schwarz Power Meters. Application Notes, 1GP43, ROHDE & SCHWARZ